Чтобы изучить ГЭБ и перенос лекарств через него, исследователи в основном полагались на модели животных, такие как мыши. Однако точный состав и транспортные функции ГЭБ в этих моделях могут значительно отличаться от таковых у людей, что делает их ненадежными для прогнозирования доставки лекарств и терапевтической эффективности. Кроме того, модели in vitro, пытающиеся воссоздать человеческий ГЭБ с использованием первичных клеток, происходящих из ткани головного мозга, до сих пор не смогли имитировать физический барьер ГЭБ, транспортные функции и активность перемещения лекарств и антител в достаточной степени, чтобы их можно было использовать в качестве инструментов разработки терапевтических средств.
Теперь команда под руководством Дональда Ингбера, М.D.,Ph.D. Гарвардского института биологической инженерии Висса удалось преодолеть эти ограничения, используя свою микрофлюидную технологию «Органы на кристалле» (Organ Chips) в сочетании с основанным на развитии подходом, имитирующим гипоксию, для дифференциации плюрипотентных стволовых (iPS) клеток человека в эндотелиальные сосуды микрососудов головного мозга. клетки (BMVEC). Полученный в результате «ГЭБ-чип с усиленной гипоксией» воспроизводит клеточную организацию, плотные барьерные функции и транспортные способности ГЭБ человека; и он позволяет транспортировать лекарства и терапевтические антитела способом, который более точно имитирует транспорт через ГЭБ in vivo, чем существующие системы in vitro.
Об их исследовании сообщается в Nature Communications.
«Наш подход к моделированию перемещения лекарств и антител через ГЭБ человека in vitro с такой высокой и беспрецедентной точностью представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с существующими возможностями в этой чрезвычайно сложной области исследований», – сказал директор-основатель Wyss Institute Ингбер. «Он удовлетворяет острую потребность в программах разработки лекарств во всем мире фармацевтики и биотехнологий, которую мы теперь стремимся помочь преодолеть с помощью специальной« Программы переноса гематоэнцефалического барьера »в Институте Висса, используя наш уникальный талант и ресурсы.«Ингбер также является профессором биологии сосудов в HMS и Программы биологии сосудов в Бостонской детской больнице Джуды Фолкман, а также профессором биоинженерии в SEAS.
ГЭБ состоит из тонких капиллярных кровеносных сосудов, образованных BMVEC, многофункциональных клеток, известных как перициты, которые окружают себя снаружи сосудов, и звездчатых астроцитов, которые являются ненейронными клетками мозга, которые также контактируют с кровеносными сосудами с отростками, похожими на стопы. В присутствии перицитов и астроцитов эндотелиальные клетки могут создавать плотно закрытый барьер стенки сосуда, типичный для человеческого ГЭБ.
Команда Ингбера впервые дифференцировала человеческие iPS-клетки в эндотелиальные клетки головного мозга в культуральной чашке с использованием метода, который ранее был разработан соавтором Эриком Шустой, доктором философии.D., Профессор химической и биологической инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон, но с дополнительной силой биоинспирации. «Поскольку в эмбрионе ГЭБ формируется в условиях низкого содержания кислорода (гипоксия), мы дифференцировали iPS-клетки в течение длительного времени в атмосфере с концентрацией кислорода всего 5% вместо нормальной 20%», – сказал соавтор исследования Тае- Ын Пак, доктор философии.D. «В результате iPS-клетки инициировали программу развития, очень похожую на таковую у эмбриона, производя BMVEC, которые проявляли более высокую функциональность, чем BMVEC, генерируемые в нормальных кислородных условиях."Пак был научным сотрудником в команде Ингбера, а теперь является доцентом в Ульсанском национальном институте науки и технологий в Республике Корея.
Основываясь на предыдущей модели ГЭБ человека, исследователи затем перенесли индуцированные гипоксией BMVEC человека в один из двух параллельных каналов микрофлюидного устройства Organ-on-Chip, которые разделены пористой мембраной и непрерывно перфузируются средой.
Другой канал был заполнен смесью первичных перицитов головного мозга человека и астроцитов. После дополнительного дня лечения гипоксии человеческий BBB-чип можно было стабильно поддерживать в течение не менее 14 дней при нормальной концентрации кислорода, что намного дольше, чем в предыдущих моделях человеческого BBB in vitro, которые пытались использовать в прошлом.
Под действием напряжения сдвига жидкостей, перфузирующих чип BBB, BMVEC продолжают формировать кровеносный сосуд и развивать плотный интерфейс с перицитами, выровненными с ними на другой стороне пористой мембраны, а также с астроцитами, распространяющими отростки по направлению к ним. через небольшие отверстия в мембране. «Отличная морфология сконструированного ГЭБ параллельна формированию более плотного барьера, содержащего повышенное количество систем селективного транспорта и доставки лекарств по сравнению с контрольными ГЭБ, которые мы создали без гипоксии или напряжения сдвига жидкости, или с эндотелием, полученным из головного мозга взрослого человека вместо клетки iPS ", – сказал Нур Мустафаоглу, Ph.D., соавтор исследования и научный сотрудник, работающий в команде Ингбера. «Более того, мы могли имитировать эффекты лечебных стратегий у пациентов в клинике. Например, мы обратимо открыли ГЭБ на короткое время, увеличив концентрацию растворенного вещества маннита [осмолярность], чтобы позволить прохождение больших лекарств, таких как противораковое антитело цетуксимаб."
Чтобы предоставить дополнительное доказательство того, что усиленный гипоксией человеческий BBB-чип можно использовать в качестве эффективного инструмента для изучения доставки лекарств в мозг, команда исследовала ряд транспортных механизмов, которые либо препятствуют достижению лекарствами своих целей в мозгу, перекачивая их обратно. в кровоток (отток), или что, напротив, позволяет избирательно переносить питательные вещества и лекарства через ГЭБ (трансцитоз).
«Когда мы специально заблокировали функцию P-gp, ключевого эндотелиального оттока, мы смогли существенно увеличить транспорт противоракового препарата доксорубицина из сосудистого канала в мозговой канал, что очень похоже на то, что наблюдалось у людей. , – сказал Парк. "Таким образом, наша система in vitro может быть использована для определения новых подходов к уменьшению оттока и, таким образом, облегчению транспортировки лекарств в мозг в будущем."
В другом месте разработчики лекарств пытаются использовать «рецепторно-опосредованный трансцитоз» в качестве средства доставки наночастиц с лекарственными препаратами, более крупных химических и белковых препаратов, а также терапевтических антител через ГЭБ. «Усиленный гипоксией человеческий BBB Chip повторяет функцию важных путей трансцитоза, таких как те, которые используются LRP-1 и рецепторами трансферрина, ответственными за поглощение жизненно важных липопротеинов и железа из циркулирующей крови и их высвобождение в мозг на другой стороне BBB. Используя эти рецепторы с помощью различных доклинических стратегий, мы можем точно имитировать ранее продемонстрированное перемещение терапевтических антител, нацеленных на рецепторы трансферрина in vivo, при сохранении целостности ГЭБ in vitro », – сказал Мустафаоглу.
Основываясь на этих выводах, Институт Висса инициировал «Программу переноса барьера кровь-мозг». «Первоначально транспортная программа BBB направлена на обнаружение новых мишеней шаттла, которые обогащены на сосудистой поверхности BMVEC, с использованием новых методов транскриптомики, протеомики и iPS-клеток. Параллельно мы разрабатываем полностью человеческие шаттлы с антителами, направленные против известных целей шаттлов, с улучшенными способностями нацеливания на мозг », – сказал Джеймс Горман, M.D., Ph.D., руководитель отдела транспортной программы BBB, работающий с Ingber. «Мы стремимся сотрудничать с несколькими биофармацевтическими партнерами в предконкурентных отношениях для разработки шаттлов, предлагающих исключительную эффективность и инженерная гибкость для включения в антитела и белковые препараты, потому что это так остро необходимо пациентам и всей области."
Авторы считают, что помимо исследований по разработке лекарств, человеческий чип BBB с усиленной гипоксией также можно использовать для моделирования аспектов заболеваний головного мозга, которые влияют на BBB, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, а также для усовершенствованных подходов к персонализированной медицине с использованием методов, определяемых пациентами. iPS клетки.